粉末活性炭處理酚類突發性水污染的應用研究

賀亦博 杜禹 馮萬平

摘要：粉末活性炭吸附水中溶質分子是一個復雜的過程，是幾種力綜合作用的結果，包括離子吸引力、范德華力、化學雜和力。根據吸附的雙速率擴散理論認為，吸附是一個由迅速擴散和緩慢擴散兩階段構成的雙速過程，迅速擴散在數小時內即完成，發揮了60%-80%活性炭的吸附容量。迅速擴散是溶質分子在碳粒內沿徑向均勻分布的阻力小的大孔隙中擴散的過程。這些大孔隙產生徑向的擴散阻力。當分子從大孔進一步進入與大孔相通的微孔中擴散時，由于受到狹窄孔徑所產生的很大阻力，從而極為緩慢。微孔也是在碳粒內均勻分布，但不構成徑向的擴散阻力。影響粉末活性炭吸附的因素涉及溶質分子極性、分子量大小、空間結構，這一點取決于水源水質的特征。活性炭對不同的物質分子具有選擇吸附性。

關鍵詞：粉末活性炭;酚類;突發性水污染;處理;應用研究

一、粉末活性炭的凈水效能研究

（一）投加工藝的選擇

國外專家曾對粉末活性炭的應用情況進行分析研究，認為粉末活性炭對人工合成化學物的吸附去除主要取決于該化合物的類型。在選擇投加點時，必須考慮混合程度和處理接觸時間，盡量減少水處理藥劑對吸附的干擾。根據國內某水廠近年應用粉末活性炭的經驗認為，對于有生活污水、工業污水的排放，造成水體富營養化，導致水體藻類等微生物急劇繁殖等，屬于污染較嚴重、較為復雜的水源;枯水期時常散發成分復雜的異臭、異味，再加上取水河段為潮感河流，污水回蕩時間長，污染造成的危害較大。選取投加粉末活性炭工藝時，主要考慮：

（1）投加點要有充足的攪拌條件，使粉末活性炭能快速與處理水有良好的混合接觸。

（2）盡量延長粉末活性炭與水體接觸吸附時間，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率。

（3）盡量選取粒徑小的粉末活性炭，使同等重量的活性炭吸附面積相對大;選取中孔較發達的木質活性炭，力求提高活性炭對有機物的吸附效能。

（4）盡量減小水處理過程中的化學藥品干擾，如氯、高錳酸鉀、混凝劑等。

（5）要根據投加量的多少、場地條件選取干式或濕式投加。

（二）投加粉末活性炭明顯改善出水水質

（1）投加粉末活性炭對去除色度有明顯效果。色度的去除有報道可達70%，色度低表明去除有機物的效率高，除鐵、錳的效果好。但去除色度的效果并沒有和投加活性炭量成正比，其復雜的機理，還有待下一步研究。

（2）投加粉末活性炭對去除嗅味有明顯效果。南方某水體的富營養化水體不僅是藻類繁殖和殺滅過程產生的異臭，還面對復雜的工業排污污染，水體長期酚類物質的異常濃度所引起的異臭。由于致臭物質的動態性和不確定性，故臭味的定量分析成為十分艱難的課題，設想要經過多年對特定水體的調查研究，設立相關的數學模型，設立相應的分析方法，才能逐步解決。目前臭味的檢測一般是用人的感官去鑒定，人為的誤差較大。除臭是粉末活性炭去除污染物的一個重要的綜合評價指標，也是供水行業目前面臨的確保飲用水安全的極其重要、難度相當大的感官指標。

（3）投加粉末活性炭對酚類的去除有良好的效果。上世紀30年代，國外已有采用粉末活性炭吸附焦化廠廢水中苯酚的工藝。根據水廠的應用經驗，認為在原水揮發性酚在0.005mg/L以下，投加粉末活性炭20mg/L以下，可以有效地去除;若原水揮發性酚在0.005mg/L以上，0.01mg/L以下，可明顯減低出廠水揮發性酚含量;但原水揮發性酚大于0.01mg/L時，單靠投加粉末活性炭，難以得到良好的去除效果。粉末活性炭對酚類的去除效果，是綜合評價吸附能力的重要指標，對于酚類污染嚴重的水體尤為重要。

以苯酚和多種氯酚（CPs）為代表的酚類是一類重要的有機污染物。針對飲用水突發性酚類污染物控制，考察了粉末活性炭（PAC）吸附工藝對苯酚及CPs的去除效果，并討論了主要影響因素。結果表明，對CPs和苯酚的吸附反應可在10～60 min、300 min內完成，吸附速率從快到慢依次為TCP、MCP、DCP、PCP和苯酚。由于酚羥基（Ar—OH）電離作用受到影響，在3～11范圍內去除率隨pH值升高而降低。少量腐殖酸對吸附影響不大，但TOC質量濃度超過10 mg/L時腐殖酸可產生明顯競爭吸附作用。熱力學擬合表明，吸附反應符合Freundlich和Langmuir吸附等溫式，苯酚/CPs在PAC上的吸附過程以物理吸附為主，且為放熱反應，較低溫度有利于吸附反應的進行。相比于準一級反應和孔內擴散反應，準二級動力學方程可較好地描述吸附過程。將PAC用于中山市某飲用水源的模擬突發性污染應急處理，投加10 mg/L的PAC即可有效去除原水中超過飲用水標準3～5倍的CPs類污染物，同時水處理成本僅有少量增加。

二、粉末活性炭的吸附性能評價研究

經過研究發現：碘值、亞甲藍值只能夠表明活性炭顆粒中細小孔徑的比表面積大小，但是在實際生產中有吸附速率的問題，即凈水工藝中吸附時間是有限的，水處理中應用的粉末活性炭遠未達到完全吸附平衡。活性炭顆粒內部中等孔隙是有機物分子的進入通道，一般認為活性炭的中等孔隙越發達越有利于吸附動力學平衡，所以中孔是否發達決定了吸附速率。為了結合實際應用，我們不僅考慮粉末活性炭的總吸附比表面積（也就是碘值、亞甲藍值等指標），還要判斷粉末活性炭顆粒內部的孔徑分布是否容易達到快速吸附，即明確轉化為如何評價活性炭的孔徑分布是否合理。

三、小結

隨著凈水深度處理工藝的推廣和活性炭生物濾池的應用，雖然顆粒活性炭表現出良好的工藝性，但粉末活性炭吸附循環時間較短，投加方式較為簡捷，費用較低，可根據水體污染情況隨時更換碳種，仍是其突出的優點。對于固有工藝的水廠改善出水水質，對于突發污染事故的迅速處理，是顆粒活性炭無法取代的功能。所以，隨著國內水體環境的不斷惡化，水質要求的不斷提升，在水處理行業應用粉末活性炭的范圍將會不斷擴大。逐漸從迫不得已的應急事故處理應用，轉向為提高和改善水質的應用。粉末活性炭在水處理的應用會越來越廣，將為防治污染，改善飲用水水質，做出重要的貢獻。

參考文獻：

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